短短四個月基因組60%變了 實驗顯示果蠅驚人的演化速度

在這項新研究中，美國賓夕法尼亞大學的研究人員通過一項巧妙設(shè)計的田間實驗，追蹤果蠅在自然環(huán)境條件變化過程中發(fā)生的變化，觀察到了令人驚奇的適應(yīng)速度：在短短四個月的實驗過程中，研究人員就在果蠅基因組中超過60%的地方記錄到了變異！

果蠅的壽命通常為兩三個月，壽命短、繁殖快的優(yōu)勢正是它們成為生物科學家“實驗寵兒”的重要原因。即便如此，它們的演化速度到底有多快，以前沒有人直接觀察到過。用這項研究的共同通訊作者、生物學教授Paul Schmidt的話說，要建立一個新的范式，直接觀察動物種群如何持續(xù)地適應(yīng)環(huán)境條件的快速變化，按過去對演化時間尺度的認知，是很難測出來的。

然而Schmidt教授和同事們觀察果園中的果蠅時，注意到生長季節(jié)伊始出現(xiàn)的果蠅，與豐收季節(jié)密集出現(xiàn)的果蠅，在壓力耐受性、生殖適應(yīng)性甚至色素沉著等方面有很大不同。這一現(xiàn)象提示，這些動物種群隨季節(jié)變化產(chǎn)生的適應(yīng)性或許速度超出人們原來的想象。

不過要確認這一點，需要嚴格地控制研究條件。于是，他們在果園中搭建起實驗大棚，在現(xiàn)實生活環(huán)境條件下（刮風下雨、寒冷、炎熱等）研究果蠅。

一開始，他們往十個大棚里各投放了1000只果蠅，除了提供相同的食物外，其余任果蠅自我發(fā)展。它們在里面飛快繁殖，高峰期每個大棚里的種群數(shù)量可達10萬只。

▲研究人員在果園設(shè)立的實驗棚可以防止果蠅自由進出（圖片來源：參考資料[2]；Credit：Eric Sucar/University of Pennsylvania）

此后的每個月，研究人員從每個大棚里采集一些果蠅個體和數(shù)千枚蟲卵，分析六種代表適應(yīng)性的身體特征，包括繁殖成功率、發(fā)育速度、耐寒性、耐旱性等，這些特征在過去很多研究中已經(jīng)知道受多個基因控制。同時，研究人員還會每個月從每個大棚里隨機選擇100只果蠅，通過基因組測序，高度準確地知道基因組中不同位置上等位基因頻率隨著時間推移發(fā)生的變化。

春去秋來，整個實驗過程大約覆蓋了10代果蠅。研究人員收集并分析的身體特征和基因組數(shù)據(jù)給出了清晰的證據(jù)：果蠅一直在演化，以適應(yīng)不斷變化的自然環(huán)境，而且演化速度比以往任何人測量的都要快。

適應(yīng)幅度出乎意料的大，超過60%的基因組在發(fā)生直接或間接的變化！研究人員解釋，這不是說進化選擇作用在大半部分的基因組上，而是在“遺傳牽連效應(yīng)”（genetic draft）過程中一部分DNA發(fā)生變化“牽連”了另一部分DNA。

本研究發(fā)現(xiàn)的另一個有趣之處是，適應(yīng)的方向多次發(fā)生變化，隨著環(huán)境條件的變化像鐘擺一樣來回擺動?！澳銜吹揭粋€特征可能在幾周內(nèi)朝這個方向演化，然后在下個月反轉(zhuǎn)方向，這是非常令人驚訝的，”研究論文的第一作者Seth Rudman博士指出，“這描繪了一幅真正的動態(tài)適應(yīng)和選擇圖景。自然選擇的方向在變，目標也在變，而且變化非常迅速?！?/span>

而這種波動，研究人員認為可能是導(dǎo)致過去的研究低估適應(yīng)速度的一個原因，因為一旦時間拉長進行測量，可能回到了原點，看似沒有發(fā)生變化。

“我們看到種群能夠迅速響應(yīng)環(huán)境條件的變化，”Schmidt教授補充，“而且這種變化不是針對某個選擇性的條件（比如干旱），而是種群在整個實驗過程中不斷演化和改變。”

盡管果蠅的壽命比人類短得多，繁殖速度比人類快得多，但研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)對于我們理解和測量人類適應(yīng)環(huán)境變化的演化速度同樣提供了重要的洞見?！?span>我認為這樣的過程在許多不同的物種中發(fā)生，只是更難在適當?shù)臅r間尺度上測量，”Schmidt教授說。“對于果蠅來說，適應(yīng)的壓力可能隨著季節(jié)而來，對于人類來說，則可能是氣候變化、農(nóng)業(yè)、以牛奶作為食物來源，等等。這可能是普遍現(xiàn)象?！?/p>